光电技术：第7章 光电信息变换 第2节

1、7.2.2 模-数光电变换电路,7.1节简单的讨论了模-数光电变换的特点，提出了模-数光电变换系统对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。因此，模-数光电变换电路的设计要比模拟光电变换电路简单得多。本节将通过几个模-数光电变换电路的典型应用学习这类变换电路,1. 激光干涉测位移,如图7-14所示为激光单路干涉测位移的原理图。He-Ne激光器发出的光入射到反射镜M1（分光器）上分成两束，一束为参考光束，另一束为测量光。两束光分别经全反射镜M2与M3回到M1，并在M1处产生干涉,干涉条纹被光电器件接收，形成脉冲信号。反射镜M3的位置

2、量的模拟信息将载于脉冲信号,显然，参考光束与测量光束的光程不相等。当光程差是波长的整数倍时，即K入(K=0，1，2，3)时，两束光波的相位相同， M1处的光强度最大(出现亮点)，光电器件输出高电平；当光程差(K十1/2) 时，两束光波的位相差为， M1处的光强度为零(出现暗点) ，光电器件输出低电平,当M3沿着测量光束的光轴移动时，在M1上将出现亮暗交替的干涉条纹，其光强度的变化规律为,Iv=Iov+IovKIcos(2/) (7-34,式中，Io为平均光强度，KI为干涉条纹的对比度。从式(7-34)可知，光程差每变化波长时，干涉条纹暗亮变化一次，当干涉条纹变化n次时，光程差n。对于图7-14

3、所示结构，光程差是动镜M3位移量L的二倍。因此，被测位移量 L=n/2 ( 7-35,只要计量干涉条纹的个数n，便可测出测量头移动的长度。这种结构的量化单位为/2,测量头左右移动的方向可以采用图7-15所示判断，根据两个光电器件输出脉冲的先后判断测量头的移动方向（即条纹是由亮变黑还是由黑变亮） 。然后，采用可逆计数器进行加、减计数,2. 莫尔条纹测位移,两块光栅以微小角度重叠时，在与光栅大致垂直的方向上，将看到明暗相间的粗条纹，称为莫尔条纹(moire fringe)。 如图7-16所示为两种计量光栅示意图。其中图（a）为刻划光栅,图7-16(b)为用腊腐蚀或照相腐蚀的方法制成的黑白光栅。计量

4、光栅的黑白线条等宽，光栅的节距（光栅常数）为等间隔的,当两快光栅接近重叠时便产生如图7-17所示的莫尔条纹。图7-17中的aa线透光面积最大，形成条纹的亮带，在bb线上，光线被暗条相互遮挡，形成暗带,从条纹的形状可以看出，莫尔条纹的位置在两光栅刻线夹角的补角平分线上。当两光栅相对移动时，莫尔条纹就在移动的垂直方向即角的平分线上移动,假设光栅的节距为d，两光栅的栅线夹角为，则条纹的间隔（宽度）m与d和的关系为,一般角很小，上式可简化为,7-36,7-37,光栅每移一个栅距，莫尔条纹移过一个间隔（即一个条纹）。因此，只要计测条纹移过的个数n，便可计算出光栅的位移量L，即 L=nq (7-38) 式

5、中q=d为量化单位，表示每条纹的长度量,图7-18所示为光柵测长的原理图。它先将长度量变换成莫尔条纹,信号，然后再用光电器件读取长度信息，这种光栅又称为长光栅或长光栅付。它包含指示光栅与标尺光栅，指示光栅固定，标尺光栅的长度由位移量决定，一般较长,莫尔条纹信号通过狭逢入射到光电器件上，它输出的光电信号近似于正弦波。用两个光电器件输出的信号可以判断光栅移动的方向。两路光电信号的相位差为/2，即一路为sin，另一路为cos,图7-19所示为测角度用的圆光栅的原理图。圆光栅付包括指示光栅与圆光栅盘。圆光栅盘是在玻璃圆盘上等间隔地刻线制成。圆盘光栅与指示光栅重叠产生莫尔条纹。圆盘光栅固定在转轴上，可以

6、转动。指示光栅、光源、透镜、与,光电器件构成固定的光电探测头。 当光栅转盘旋转时，指示光栅与圆盘光栅产生的莫尔条纹将沿圆盘径向移动，光电探测头读出并判断莫尔条纹的移动量和方向，便将角度量变换成莫尔条纹信号,显然，这种装置只能测量角度的变化量，不能得到角度的绝对值。因此，称它为增量式编码器。 光栅盘每条刻线表示角度的增量，即量化单位。当光栅转盘转过一条刻线时，莫尔条纹将变化一次，通过计算莫尔条纹的变化次数n，便可得到转轴旋转的角度，即 =qn (7-39) 式中q为量化单位，表示每条纹的角度量,莫尔条纹法进行几何量测量的优点： 1、 位移量的放大作用 将莫尔条纹间隔与光栅距之比定义为光栅付的放大

7、倍数，对于微小倾角有,7-40,光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线n的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为时，则光电器件输出的总误差 （7-41） 例如，对于d=0.02mm的光栅付，用长为10mm的硅光电池接收，在视场内同时有500根线工作。若单根线的误差为1m，则光电池输出的平均误差仅为0.04m,2、误差的平均效应,7.3几何光学方法的光电信息变换,7.3.1 长、宽尺寸信息的光电变换,将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的方法有投影放大法，激光三角测量法，光学灵敏杠杆测量法，激光扫描测量法和差动测量法等。本节直接讨论激光扫描法,激光扫描法 激光扫描法是1972年发展起来的

8、一种技术，有人称之为Laser Shadow Gauge。1975年推出了第一台仪器并申请了专利。这种方法使用至今，现在已经有很多不同型号的仪器产品。 如图7- 25所示为激光扫描法的原理图。激光束经过透镜1后被反射镜反射，由于同步位相马达的转动而形成扫描光束,由于同步马达是匀速转动的，转速为m，所以平行扫描光束的扫描角速度为L2m，则光扫描的线速度为,扫描光束经过透镜1后变成平行的扫描光束，平行扫描光在扫描过程中被工件遮挡，光束经过透镜2后被位于焦平面上的探测器D接收，得到一个随时间变化的光电信号。再经过后续的信号处理电路(主要包括信号放大电路、边缘检出电路、计数电路等)，就可以得出工件直径

9、的测量值,7-46,式中f为透镜l的焦距。若在扫描光束被遮挡的时间t内计数器的计数为n，晶振的时钟频率为v0，分频数为N；则被测工件直径的计算式为,7.3.2 位移信息的光电变换,根据计数器记录的工件挡光时间内的时钟脉冲数，就可以求得工件的直径。非接触测量和可以测量运动着的物体激光扫描法的优点，其缺点是量程受透镜尺寸的限制，且存在非线性的原理测量误差，需要校正或采用特殊设计的透镜补偿,将物体位移量变换成光电信号以便进行非接触测量在工业生产和计量检测中的重要工作。用线、面阵CCD图像传感器、CMOS图像传感器、象限探测器、PSD位置传感器等器件与成像物镜配合很容易构成被测物像的位移信息变换系统，

10、实现物体位移量、运动速度、振动周期或频率等参数的测量,7-47,将电机等物体的转动速度、运行速度、信息的变化速度等物理量变换成光电信号的过程称为速度信息的光电变换。能够完成速度信息的光电变换的方法有多种，其中利用光电耦合器（光电开关）、旋转光闸、频闪式转速表等方法实现的速度信息光电变换即简单又容易实现多种用途的变换,7.3.3 速度信息的光电变换,7.4 物理光学方法的光电信息变换,7.4.1 干涉方法的光电信息变换,物理光学的知识告诉我们，光具有波动的属性，单一频率的光波在它们的传输过程中会发生衍射，几束光的叠加能形成干涉。衍射和干涉现象通常是发生在一定的空间域内，由此组成各种衍射和干涉图样

11、。衍射后的干涉现象组成了有名的莫尔条纹。空间分布的光波间的干涉可以形成全息图样和散斑图样。不同频率光波间的干涉会形成光学拍频，空间域内的拍频分布构成光拍图形,1 光电干涉测量技术,各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向和速度、传输介质等存在着严格的内在联系,在这种变换过程中，光波作为物质的载体，载荷了待测信息及其变化，表现出随时间和空间改变的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最后解算出被测几何和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光学技术和光电技术的发展，光电干涉技术以其巨大的生命力在信息科学中崭露

12、头角，并取得了较大的发展。从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型的干涉仪器或干涉装置是光频波的调制器和解调器。我们用最常见的干涉仪来说明这个模型。图7-30所示为它的结构配制和信息流程。就其信息传递的实质而言，实际的干涉仪结构和工作过程可以用下列方式描述。干涉仪中的激光源是相干光载波的信号发生器，它产生振幅为A，频率为 ，初相位为 的载波信号，用 表示,干涉仪中用激光为相干光载波，它的振幅为A，频率为f ，初相位为的载波信号，用 表示。载波信号分为二路引入干涉仪。在测量臂中 受到待测位移信号 相位调制。形成 的调相信号。待测信息为运动速度 。产生的

13、调频信号为 这样测量臂起到信号调制器的作用,r,o,移情况下）或确定光拍频率（在测速情况下）的输出信号,已调制光频波在干涉物上和来自参考臂的参考光波相干涉，呈现出具有稳定的干涉图样（在测位,这个信号消除了光频载波的影响，以干涉条纹的相位分布或光拍的时间性变化表征出被测量的变化。因此这被看作是光学解调制的过程。 干涉测量的调制和解调过程可以是时间性的，也可以是空间性的。根据调制的方式不同，形成了各种类型的光学图样。这种以光波的时空相干性为基础，受被测信息调制的光波时空变换称作相干光学信息。 它的形成和检测过程就是光载波受待测信息调制和已调制光波解调再现为信息的过程。根据相干光学信息的时空状态和调

14、制方式，可以分为：局部空间的一维时间调制的光信号和在二维空间内时间或空间调制光信号,2 单频光相干的条纹检测,使用窄光束单频光照明的干涉测量中，用单元光电器件检测干涉条纹可以在较小的空间范围内进行。检测的对象经常是干涉条纹波数或相位随时间的变化。为一维空间单频光的相位调制。适用于被测对象为物体的整体位移或运动,另外，当激光束扩束成为平行光，照射到被测物体时会形成干涉条纹组成的平面干涉图像。它反映了被测物面微观面形的几何参量的变化，是二维空间单频光的相位调制。这种方法对于干涉图像的判读是依据干涉条纹的光强分布，某点处条纹的空间相位是从周围条纹分布的比较中得到的。因此，它的空间分辨率和相位分辨率受

15、到限制。使干涉测量的实际精度不超过/20,20世纪70年代发展起来的可直接进行相位检测的干涉图像测量技术，其基本原理就是对两束相干光相位差的时间调制。使干涉图像上各点处的光学相位变换为相应点处时序电信号的相位变化。利用扫描或阵列探测器分别测得各点的时序变化，就能以优于/100的相位精度和100线/mm的空间分辨率测得干涉图像的相位分布。这些干涉图像的测量法包括锁相干涉和扫描干涉测量。它们为干涉测量开辟了实时、数字、高分辨的新领域，在全息与散斑干涉图像的测量中得到广泛的应用。 干涉条纹时序变化的检测可采用下列光电方法：条纹光强检测法、条纹比较法和条纹跟踪法等。 下面我们重点讨论条纹跟踪测量方法,3）干